CN103887154B - 一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法，属于电子技术领域。本发明目的是针对目前的双极型器件表面的氧化物俘获正电荷和界面态使得双极型器件的抗辐照能力减弱的问题。本发明所述基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固方法，首先通过对离子种类为F、Cl、Br、I和As离子采用SRIM和TCAD软件进行模拟仿真，仿真获得离子能量、射程与注量，再进行离子注入。入射离子选用F、Cl、Br、I和As元素形成电离辐射缺陷的俘获陷阱，可降低电离辐射缺陷的密度。通过钝化层离子注入方式，减小氧化物俘获正电荷和界面态对器件性能的影响，提高双极型器件的抗辐照能力，用于航天器用电子器件的抗辐照加固。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗电离辐照双极型器件的抗电离辐照加固方法，属于电子技术领域。
背景技术
处于空间辐射环境中的电子及质子对航天器用电子器件的性能有着强烈的影响，会造成电离辐射效应、位移辐射效应和单粒子效应等，导致电子器件的异常或失灵，甚至最终导致航天器发生灾难性的事故。
因此，提高双极型器件的抗辐照能力，对于优化航天器的选材和设计及提高航天器的在轨服役可靠性，具有十分重要的工程实际意义。
钝化是提高器件可靠性的必要条件，也是硅基器件工艺中的需要重点关心的内容，在以双极工艺为主的集成电路中，钝化层的重要性就更加突出，硅器件的钝化层，自有平面器件以来，已经有了广泛而系统的研究，不管在理论认识上还是在实际技术上，目前都达到了相当高的水平。
然而，空间电离效应会在硅器件的SiO2层产生氧化物俘获正电荷，并在SiO2/Si界面处形成界面态。电离效应本质上是反应辐照条件下，氧化物俘获正电荷和界面态的形成与退火状态。辐照产生的电子和空穴会主要被氧化物中缺陷所俘获，形成氧化物俘获电荷，且在此过程中SiO2层会释放H+。
实验及理论计算表明，在室温以上温度时，电离损伤产生的空穴不会诱导界面态的形成。空穴在SiO2层输运过程中所释放的H+，会在SiO2/Si界面形成界面态。
这些双极型器件表面的氧化物俘获正电荷和界面态会使得器件表面的抗辐照能力减弱，从而减少电子器件的使用寿命，导致电子器件的异常或失灵，甚至最终导致航天器发生灾难性的事故。
发明内容
针对目前的双极型器件表面的氧化物俘获正电荷和界面态使得器件表面的抗辐照能力减弱的问题，提供了一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法。
本发明所述一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法，该双极型器件抗电离辐照加固方法为：
步骤一、根据双极型器件的钝化层的材料类型、密度和厚度，采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息；
步骤二、根据步骤一获得的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息，采用TCAD软件模拟获得双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息；
步骤三、根据步骤二获得的双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息，确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量；
步骤四、根据步骤三确定的双极型器件的最优的入射的F、Cl、Br、I和As离子能量和注量对离子注入机的参数进行设置；所述离子注入机的参数包括：离子注入机的电压、电流和注入时间；
步骤五、采用离子注入机对双极型器件进行F、Cl、Br、I和As离子注入，完成基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固。
在步骤五之后，将步骤五抗电离辐照加固后的双极型器件进行退火温度为400-1100℃，退火时间为0.5-60分钟的退火工艺处理。
步骤三中所述最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量是指，按照控制双极型器件离子注入后的性能变化量小于原始参数的10％的原则，来确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量。
步骤四中所述的计算离子注入机的电压、电流和离子注入时间的方法为：
采用公式：
计算获得离子注入机的电压V，式中，电压的单位为伏V；E为离子能量，单位为eV；C为离子带电量；
采用公式：
计算获得离子注入机的电流I，式中，Φ为离子注量，C为离子带电量，q为单位电荷，t为辐照时间，即离子注入机运行时间。
步骤四中所述的步骤五中所述的计算离子注入机的电压、电流和离子注入时间的方法，计算的离子注入机的电压、电流和离子注入时间分别为：
对于F离子，所对应的离子注入机参数，电压为15kV-50kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于Cl离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-40kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于Br离子，所对应的离子注入机参数，电压为10kV-20kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于I离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-40kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于As离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-50kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s。
步骤一中所述的采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息分别为：
对于F离子，能量范围为20-80keV，射程为100nm-700nm；
对于Cl离子，能量范围为40-100keV，射程为120nm-750nm；
对于Br离子，能量范围为50-100keV，射程为150nm-650nm；
对于I离子，能量范围为80-160keV，射程为130nm-750nm；
对于As离子，能量范围为80-200keV，射程为100nm-650nm。
本发明的优点：
本发明在现有的双极晶体管及电路制造工艺基础上，通过钝化层离子注入方式，在相同的辐照剂量条件下，可大大降低双极型器件的复合漏电流(尤其是减少过剩基极电流，ΔIB)，降低双极晶体管的电流增益损伤程度，达到提高双极型器件抗辐照能力的目的。
本发明的抗电离辐照工艺技术保留了传统的双极工艺技术，仅增加了后续的离子注入环节，制造工艺步骤非常简单，并且获得了意想不到的技术效果：在相同的辐照剂量条件下，可降低双极晶体管的电流增益损伤程度70-80％，提高双极型器件抗辐照能力达到3-5倍。
本发明所提出的能大幅度降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷和界面态影响的新技术，可以大大增强双极器件的抗电离辐照性能，对于减少电离辐照条件下双极型器件的性能退化具有重大意义，在双极型器件抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。本发明适用于电磁波调控透镜的设计、加工领域。
附图说明
图1是本发明的钝化层离子注入方式的双极型器件的钝化层离子注入示意图；
图2是辐照损伤后，有无钝化层离子注入方式的双极型器件的抗辐照能力对比示意图；图中为未加入抗辐照措施的，为加入钝化层离子注入方式后的。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法，该双极型器件抗电离辐照加固方法为：
步骤一、根据双极型器件的钝化层的材料类型、密度和厚度，采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息；
步骤二、根据步骤一获得的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息，采用TCAD软件模拟获得双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息；
步骤三、根据步骤二获得的双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息，确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量；
步骤四、根据步骤三确定的双极型器件的最优的入射的F、Cl、Br、I和As离子能量和注量对离子注入机的参数进行设置；所述离子注入机的参数包括：离子注入机的电压、电流和注入时间；
步骤五、采用离子注入机对双极型器件进行F、Cl、Br、I和As离子注入，完成基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固。
采用上述方法获得的双极型器件，经辐照实验，与采用现有加工工艺获得的双极型器件进行比较，在相同的辐照剂量条件下，能够降低双极晶体管的电流增益损伤程度70-80％，提高双极型器件抗辐照能力达到3-5倍。
SRIM软件，全称The Stopping and Range of Ions in Matter，由James Ziegler编制，是国际上常用的粒子与材料交互作用模拟软件。该软件为开源软件，即公开源代码。其作用是模拟粒子在材料中的运动及作用方式，可以计算粒子在材料中的能量损失、射程、碰撞截面等信息。
TCAD软件，全称为Technology Computer Aided Design，半导体工艺模拟以及器件模拟工具，该软件的发行商为美国Silvaco公司。其作用是通过设定器件的结构参数、加工工艺、外界条件等参数，来模拟器件的电性能及内部状态。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，在步骤五之后，将步骤五抗电离辐照加固后的双极型器件进行退火温度为400-1100℃，退火时间为0.5-60分钟的退火工艺处理。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的步骤三中所述最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量是指，按照控制双极型器件离子注入后的性能变化量小于原始参数的10％的原则，来确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的步骤四中所述的计算离子注入机的电压、电流和离子注入时间的方法为：
采用公式：
计算获得离子注入机的电压V，式中，电压的单位为伏V；E为离子能量，单位为eV；C为离子带电量；
采用公式：
计算获得离子注入机的电流I，式中，Φ为离子注量，C为离子带电量，q为单位电荷，t为辐照时间，即离子注入机运行时间。
具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或四作进一步说明，本实施方式所述步骤四中所述的计算离子注入机的电压、电流和离子注入时间的方法，计算的离子注入机的电压、电流和离子注入时间分别为：
对于F离子，所对应的离子注入机参数，电压为15kV-50kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于Cl离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-40kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于Br离子，所对应的离子注入机参数，电压为10kV-20kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于I离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-40kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于As离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-50kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s。
具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的步骤一中所述的采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息分别为：
对于F离子，能量范围为20-80keV，射程为100nm-700nm；
对于Cl离子，能量范围为40-100keV，射程为120nm-750nm；
对于Br离子，能量范围为50-100keV，射程为150nm-650nm；
对于I离子，能量范围为80-160keV，射程为130nm-750nm；
对于As离子，能量范围为80-200keV，射程为100nm-650nm。
工作原理：
本发明所涉及的一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗总剂量辐照加固方法，离子种类为F、Cl、Br、I、As离子，针对所有器件均可应用，例如NPN器件、PNP器件、数字双极电路、模拟双极电路及数模/模数电路。该技术的特征在于，在不影响器件的电性能参数情况下，在完成钝化层(SiO2层)工序后，可基于离子注入技术途径进行钝化层离子注入，形成可俘获电离辐射缺陷的陷阱，最终提高双极型器件的抗辐照能力。具体的技术途径为，首先通过SRIM和TCAD软件进行模拟仿真，以确定注入离子的种类、能量、射程与注量，再进行离子注入。入射离子选用F、Cl、Br、I、As离子，选用上述离子可有效的形成电离辐射缺陷的俘获陷阱，可有效的降低电离辐射缺陷的密度。通过钝化层离子注入方式，可以减小氧化物俘获正电荷和界面态对器件性能的影响，从而提高双极型器件的抗辐照能力。
我们前期的研究工作中发现了可以在器件的钝化层内通过离子注入的方式人为地引入缺陷陷阱，使钝化层内部的电离辐射缺陷保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高双极型器件的抗辐照能力。
因此，如果能够在不影响双极型器件电性能指标的前提下，基于钝化层离子注入方式，提出一种可以大幅度减小氧化物俘获正电荷和界面态对器件性能的影响，并最终提高双极型器件抗辐照能力的技术途径，将会对整个集成电路的抗辐照加固具有重大的意义。
本发明所述的基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固方法既可用于对现有的双极型器件进行抗辐照加固，也可以在双极型器件的生产过程中进行，直接生产出具有抗电离辐照性能的双极型器件，优化了双极型器件的抗辐照性能，是一项重要的抗电离辐照加固技术。
Claims (3)
1.一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法，其特征在于，该双极型器件的抗电离辐照加固方法为：
步骤一、根据双极型器件的钝化层的材料类型、密度和厚度，采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息；
步骤二、根据步骤一获得的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息，采用TCAD软件模拟获得双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息；
步骤三、根据步骤二获得的双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息，确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量；
按照控制双极型器件离子注入后的性能变化量小于原始参数的10％的原则，来确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量；
步骤四、根据步骤三确定的双极型器件的最优的入射的F、Cl、Br、I和As离子能量和注量对离子注入机的参数进行设置；所述离子注入机的参数包括：离子注入机的电压、电流和注入时间；
步骤五、采用离子注入机对双极型器件进行F、Cl、Br、I和As离子注入，完成基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固。
2.一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法，其特征在于，该双极型器件的抗电离辐照加固方法为：
步骤一、根据双极型器件的钝化层的材料类型、密度和厚度，采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息；
步骤二、根据步骤一获得的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息，采用TCAD软件模拟获得双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息；
步骤三、根据步骤二获得的双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息，确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量；
步骤四、根据步骤三确定的双极型器件的最优的入射的F、Cl、Br、I和As离子能量和注量对离子注入机的参数进行设置；所述离子注入机的参数包括：离子注入机的电压、电流和注入时间；
采用公式：
计算获得离子注入机的电压V，式中，电压的单位为伏V；E为离子能量，单位为eV；C为离子带电量；
采用公式：
计算获得离子注入机的电流I，式中，Φ为离子注量，C为离子带电量，q为单位电荷，t为辐照时间，即离子注入机运行时间；
对于F离子，所对应的离子注入机参数，电压为15kV-50kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于Cl离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-40kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于Br离子，所对应的离子注入机参数，电压为10kV-20kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于I离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-40kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
对于As离子，所对应的离子注入机参数，电压为20kV-50kV，电流为0.16nA，注入时间为100-1000s；
步骤五、采用离子注入机对双极型器件进行F、Cl、Br、I和As离子注入，完成基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固。
3.一种基于钝化层离子注入方式的双极型器件的抗电离辐照加固方法，其特征在于，该双极型器件的抗电离辐照加固方法为：
步骤一、根据双极型器件的钝化层的材料类型、密度和厚度，采用SRIM软件计算出针对该双极型器件的钝化层所要注入的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息；
对于F离子，能量范围为20-80keV，射程为100nm-700nm；
对于Cl离子，能量范围为40-100keV，射程为120nm-750nm；
对于Br离子，能量范围为50-100keV，射程为150nm-650nm；
对于Br离子，能量范围为50-100keV，射程为150nm-650nm；
对于I离子，能量范围为80-160keV，射程为130nm-750nm；
对于As离子，能量范围为80-200keV，射程为100nm-650nm；
步骤二、根据步骤一获得的F、Cl、Br、I和As离子的能量和射程信息，采用TCAD软件模拟获得双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息；
步骤三、根据步骤二获得的双极型器件的电流增益变化和双极型器件的钝化层内部缺陷信息，确定双极型器件的最优的入射F、Cl、Br、I和As离子能量和注量；
步骤四、根据步骤三确定的双极型器件的最优的入射的F、Cl、Br、I和As离子能量和注量对离子注入机的参数进行设置；所述离子注入机的参数包括：离子注入机的电压、电流和注入时间；
步骤五、采用离子注入机对双极型器件进行F、Cl、Br、I和As离子注入，完成基于钝化层离子注入方式的双极型器件抗电离辐照加固。
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